計算機システム概論 コンピュータアーキテクチャの基本について学ぶ 前半部分（中島先生）...主としてハードウェアに関するお話 後半部分（楫）...オペレーティングシステム（ＯＳ）について.

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1 計算機システム概論 コンピュータアーキテクチャの基本について学ぶ 前半部分（中島先生）...主としてハードウェアに関するお話 後半部分（楫）...オペレーティングシステム（ＯＳ）について

2 講義スケジュール 教科書は指定しない 楫担当分の講義資料（このPowerPointのファイル）
月曜２限，水曜１限 ５月 ６月 月 水 7 9 14 16 21 23 28 30 月 水 4 ✘ （木曜授業の実施のため） 試験

3 本日の講義 オペレーティングシステムについて学ぶ 本日の講義内容： オペレーティングシステム（OS）とは何か OSの役割とは
本日は，あくまでも「概論」 次回以降の講義で，技術的な詳細について詳しく述べる

4 OSとは何か：OSのない計算機 昔のパソコン（マイコン）： プログラムを実行するには，カセットテープからロード
同時に一つのプログラムしかロードできない メインメモリのどの部分を使用するか，強く意識 入出力装置へのアクセスも直接的 ハードウェアとプログラムが 直接的に結びついている シャープ MZ-80C，1980年発売，定価 268,000円 CPU: Z-80 (2MHz), 4KB ROM + 48KB RAM 写真出典

5 OSがないと何が困るか ハードウェアとプログラムが直接的に結びついていると... ハードウェアの性能を最大限に引き出せる
ハードウェアが変わると，ソフトが使えなくなる ハードウェアA ソフトウェア ソフトウェア ハードウェアB 日本電気 PC-8001 MZ-80C

6 OSのある世界 現在のパソコン： プログラムの格納場所やロード方法は意識不要 ハードウェアを直接駆動する必要もない
複数のプログラムを安全・同時に実行可能 機器が多少変化しても，プログラムは共通利用可能 ハードウェアの仕組みは，基本的に昔から変わっていない 昔は人間が直接やっていたことを， オペレーティングシステム（ＯＳ）がサポートしてくれる ＯＳは，裏方仕事を引き受ける特別なプログラム

7 ＯＳの役割 ＯＳ：裏方仕事をひきうける特別なプログラム システムを使いやすくする 計算機資源を効率よく利用する
複数のサービスを同時かつ安全に提供する etc... 現在のＯＳ：非常に複雑で，多様な役割を負う 昔はもっとシンプル： 歴史を追うことで，実像が見えてくる

8 初期のコンピュータシステム 草創期のコンピュータ： パンチカードからプログラムやデータを入力 プログラムは機械語で記述
出力は紙テープやラインプリンタ 別プログラムに切り替えるには，システムリセット プログラムの作成が面倒 カードの取り扱いが大変 プログラムの切り替えも面倒 パンチカード 高級言語，コンパイラ オペレーティングシステム

9 第１世代のOS 第１世代のOS（１９５０年代） プロセッサの利用効率の向上が主目的 バッチジョブの概念が登場 バッチジョブ：
プログラムの読込と起動，データ投入，出力結果の記録等， 一連の操作内容を一まとめにしたもの ユーザがコンピュータを直接操作するのではなく， 「操作内容」だけを伝え，適当なタイミングでの処理を依頼する UNIVAC 1

10 第１世代OSの処理の流れ 第１世代OSが提供する機能 バッチジョブの受付 ユーザから投入されたジョブを受け付ける バッチジョブの切り替え
ジョブ実行環境を初期化し，新しいジョブを開始する プロセッサ ＯＳ 結果出力 ジョブ切替 ジョブ受付

11 第１世代OSの特徴 各ジョブが順番にプロセッサを占有する ジョブの占有時間中に，プロセッサが遊んでしまうことも...
プロセッサのスピード　＞　入出力装置のスピード プロセッサ 入出力装置 アクティブ アイドル データ送受信 プロセッサ処理と入出力操作を並列化する仕組みが出現 オフライン入出力，バッファリング，スプーリングetc. 補助的な仕組みと，メインのプロセッサとの調整が必要 ⇒ OSの仕事

12 プロセッサと入出力処理について 直接駆動 プロセッサが出力装置の速度に 歩調をあわせる バッファリング（キュー）
出力装置がデータを一時保管し， プロセッサの処理中に裏で作業 一時保管場所（バッファ）が使用中 ならば，プロセッサは待機 プロセッサ 入出力 プロセッサ 入出力 スプール スプーリング バッファを，高速大容量の磁気ディスクで実現 入出力の順序やタイミングの調整が可能

13 第２世代のOS 第１世代ＯＳ：各ジョブが順番にプロセッサを占有する 柔軟性の欠如...「急ぎの仕事」に対応できない
応答性の悪さ...プログラムミスの発見が遅れる 第２世代のOS（１９６０年代前半） ユーザの利便性を改善することが強く意識される 「複数のプログラムが同時並行的に実行」 ...されているように見せる仕組みの実現 ユーザは，「自分が計算機を占有している」ように使える GE-200

14 タイムシェアリングシステム タイムシェアリングシステム（TSS, 時分割処理） プロセッサが，複数のプログラムを少しずつ実行する
短い時間（タイムスライス）で，プログラムを切替える 遂次処理 時分割処理 時間経過 時間経過 トータルの実行時間は変わらない （切替オーバヘッドのため，効率は若干低下） ユーザの利便性は向上 ⇒ 生産性の著しい向上 将棋の多面指し

15 TSSと仮想計算機 時分割処理は，ユーザが計算機を独占しているように「錯覚」させるための仕組み
各ユーザに「独立した仮想計算機」を提供している 他ユーザのプログラムの影響を受けないように... ユーザのミスがシステム全体に影響しないように... 仮想計算機 実際の計算機

16 プロセスの概念の登場 独立した仮想計算機： 個別のプログラム 個別の計算環境（メモリやレジスタ等） を保有している プロセッサは，時分割で，
「各仮想計算機の動作をシミュレートする」 実行中の計算環境まで含めた仮想計算機をプロセスと呼ぶ

17 第３世代のOS 第２世代OS： TSSにより，「仮想計算機」をユーザに提供 第３世代のOS（１９６０年代後半～７０年代前半）
抽象性と汎用性の導入 仮想計算機： 論理的な存在で，比較的自由に設計可能 ハードウェアが違っても，同じ仮想計算機を... ハードウェア上の制約からの脱却 ⇒　仮想記憶などの技術が確立

18 マイルストーン：IBM OS/360 IBM System/360： 1964年発売の汎用計算機ファミリー
目的や用途に応じて，自由度の高い組合わせが可能 IBM System/360 IBMのWebページより IBM OS/360： IBM System/360で採用されたＯＳ ハードウェアの差異を吸収し，高い汎用性を実現 仮想記憶等，当時として最新の技術を導入

19 第４世代のOS 1970年代後半...コンピュータの小型化，利用者の小集団化 コンピュータ単体の性能が「小粒」に
機能をそぎ落とし，技術的に退化する動きも 第４世代のOS（１９７０年代後半～現在？） 自己完結するのではなく，「協調作業」を前提とする 仕組みの導入 プロセス間通信 ネットワーク対応 ユーザインタフェイスの充実 Micro VAX 3900

20 プロセス間通信 プロセス ＝ 仮想計算機 ＋ 実行中の計算環境 元々は，他のユーザの存在を意識させないための仕組み
プロセス間通信の基本的な考え方 単純な機能を持つプロセスを，必要に応じて稼働させる ある機能が必要なときは，それ専門のプロセスに照会する クライアント プロセス サーバ プロセス

21 プロセス間通信の拡張 プロセス間通信...一台のコンピュータ内に限定する必要はない 「他のコンピュータで稼働しているプロセスとの通信」へ，
自然に拡張可能 ファイルサーバ，プリンタサーバ，メールサーバ etc...

22 UNIX オペレーティングシステム 元来はミニコン，ワークステーション用ＯＳ 1970年代初頭に誕生，以降のＯＳに大きな影響を及ぼす
機能のモジュール化 ⇒ 部品を付け足すように，OSの機能を拡張可能 パイプ，ソケット等の概念 ⇒ シンプルで使いやすいプロセス間通信機能を提供 豊富なネットワーク機能 ⇒ インターネットの礎を築く 高い移植性，優れたパフォーマンス セキュリティ，安定性，堅牢性に優れた，完成度の高いＯＳ

23 UNIXの歴史 初期バージョンの開発は，AT&T （ベル研究所）が主体 独占禁止法の関係で，当初は比較的自由に配布可能
⇒ 急速な普及，発展を遂げる BSD UNIX...カリフォルニア大バークレー校 AT&T版をベースに，大規模な機能改善を加えたもの 豊富なネットワーク機能の実現 AT&Tが分割され，UNIX の商用利用が可能に 厳しいライセンス管理，不毛な法廷闘争 開発は停滞，オープンソース UNIX へ

24 オープンソースUNIX UNIXと同様の機能，操作性を提供するＯＳ ソースコードが公開されており，誰でも無料で利用可能
GNU/Linux: GNU のソフトウェア群と Linux カーネル カーネル：自動車のエンジン，に相当 ソフトウェア群：自動車の他の部品，に相当 FreeBSD, NetBSD etc... 派生技術は，他のOS にも取り込まれている Mac OS, Android ... Linus Torvalds

25 パソコン由来のOS 初期のパソコン... 非常に機能が低く，OSによるオーバヘッドが無視できない
MS-DOS ... Microsoft Disk Operating System 当初は，基本的なファイル管理機能のみを提供 後に，UNIXライクな機能を追加 Mac OS ... Apple社 Macintosh 向けのOS 革新的なユーザインタフェースの提供 技術革新への対応遅れ ⇒ UNIXベースの Mac OS X へ

26 現在のＯＳ（１） 現在のＯＳ：これまでの技術を蓄積，多くの役割を背負っている 計算資源の有効利用 プロセッサを遊ばせない
ハードウェアの差異の吸収 プログラムの再利用が可能となる 論理的で使いやすい計算環境の提供 プログラミングが楽になる ユーザの負担を小さくする

27 現在のＯＳ（２） プロセスの独立性・安全性保障 他のユーザに邪魔されない計算環境を実現 あるユーザのミスが，他のユーザやシステム全体に
影響しないような仕組みを実現 協調作業をサポートする仕組みの提供 同一計算機内でのプロセス間通信 ネットワーク機能等，外部世界との架け橋

28 本日のまとめ OSとは何か 歴史 役割 機能